本文介紹的基于運放的電流檢測電路并不新鮮，它的應(yīng)用已有些時日，但關(guān)于電路本身的討論卻比較少。在相關(guān)應(yīng)用中它被非正式地命名為“電流驅(qū)動”電路，所以我們也沿用這一名稱。我們先來探究其基本概念。它是一個運算放大器及 MOSFET 電流源(注意，也可以使用雙極晶體管，但是基極電流會導(dǎo)致 1%左右的誤差)。圖 1A 顯示了一個基本的運算放大器電流源電路。把它垂直翻轉(zhuǎn)，就可以做高側(cè)電流檢測（如圖 1B 所示），在圖 1C 中重新繪制，顯示我們將如何使用分流電壓作為輸入電壓，圖 1D 是最終的電路。
 

圖 1：從基本運算放大器電流源轉(zhuǎn)換為具有電流輸出的高側(cè)電流檢測放大器。

 
圖 2 顯示了電路電源電壓低于運算放大器的額定電源電壓。在電壓 - 電流轉(zhuǎn)換中添加一個負(fù)載電阻，記住您現(xiàn)在有一個高阻抗輸出，如果您想要最簡單的方案，這樣可能就行了。
 
基本電路

圖 2 顯示了基本實現(xiàn)高側(cè)電流檢測的完整電路。需要考慮的細(xì)節(jié)有：
 

●  運放必須是軌對軌輸入，或者有一個包括正供電軌的共模電壓范圍。零漂移運算放大器可實現(xiàn)最小偏移量。但請記住，即使使用零漂移軌對軌運放，在較高的共模范圍內(nèi)運行通常不利于實現(xiàn)最低偏移。
 
●  MOSFET 漏極處的輸出節(jié)點由于正電壓的擺動而受到限制，其幅度小于分流電源軌或小于共模電壓。采用一個增益緩沖器可以降低該節(jié)點處的電壓擺幅要求。
 
●  該電路不具備在完全短路時低邊檢測或電流檢測所需的 0V 共模電壓能力。在圖 2 所示的電路中，最大共模電壓等于運算放大器的最大額定電源電壓。
 
●  該電路是單向的，只能測量一個方向的電流。
 
●  增益精度是 RIN 和 RGAIN 公差的直接函數(shù)。很高的增益精度是可能獲得的。
 
●  共模抑制比(CMRR)一般由放大器的共模抑制能力決定。MOSFET 也對 CMRR 有影響，漏電的或其它劣質(zhì)的 MOSFET 可降低 CMRR。
 

圖 2：最簡單的方法是使用電源電壓額定值以內(nèi)的運算放大器。圖中配置的增益為 50。增益通過 RGAIN/RIN 設(shè)定。
 
 

性能優(yōu)化 
一個完全緩沖的輸出總是比圖 2 的高阻抗輸出要通用得多，它在緩沖器中提供了較小的增益 2，可降低第一級和 MOSFET 的動態(tài)范圍要求。
 
在圖 3 中，我們還添加了支持雙向電流檢測的電路。這里的概念是使用一個電流源電路(還記得圖 1A 吧？)以及一個輸入電阻(RIN2)，它在 U1 非逆變輸入端等于 RIN(這時為 RIN1)。然后這個電阻器產(chǎn)生一個抵消輸出的壓降，以適應(yīng)必要的雙向輸出擺動。從 REF 引腳到整個電路輸出的增益基于 RGAIN/ROS 的關(guān)系，這樣就可以配置 REF 輸入來提供單位增益，而不用考慮通過 RGAIN/RIN 所設(shè)置的增益(只要 RIN1 和 RIN2 的值相同)，就像傳統(tǒng)的差分放大器參考輸入一樣工作：
 
VREFOUT=VREF*(RGAIN/ROS)*ABUFFER
 
(其中 ABUFFER 是緩沖增益)
 
注意，在所有后續(xù)電路中，雙向電路是可選的，對于單向電路工作可以省略。

圖 3：這一版本增加了緩沖輸出和雙向檢測能力。它提供了一個參考輸入，即使在 RIN1 和 RIN2 值確定了不同增益設(shè)置的情況下，它也總是在單位增益下工作。
 
 

在共模高電壓下使用 
通過浮動電路并使用具有足夠額定電壓的 MOSFET，電流驅(qū)動電路幾乎可在任何共模電壓下使用，電路工作電壓高達(dá)數(shù)百伏的應(yīng)用已經(jīng)非常常見和流行。電路能達(dá)到的額定電壓是由所使用的 MOSFET 的額定電壓決定的。
 
浮動電路包括在放大器兩端增加齊納二極管 Z1，并為它提供接地的偏置電流源。齊納偏壓可像電阻一樣簡單，但是我喜歡電流鏡技術(shù)，因為它提高了電路承受負(fù)載電壓變化的能力。這樣做時，我們已創(chuàng)建了一個運放的電源“窗口”，在負(fù)載電壓下浮動。
 
另一個二極管 D1 出現(xiàn)在高壓版本中。這個二極管是必要的，因為一個接地的短路電路最初在負(fù)載處會把非逆變輸入拉至足夠負(fù)(與放大器負(fù)供電軌相比)，這將損壞放大器。二極管可以限制這種情況以保護(hù)放大器。
 

圖 4：高壓電路“浮動”運放，其齊納電源處于負(fù)載電壓軌。
 

該電路其它鮮為人知的應(yīng)用
 
我不確定是否還有人使用電流檢測 MOSFET。幾年前的一些實驗室研究表明，一旦校準(zhǔn)，MOSFET 電流檢測是非常精確和線性的，盡管它們具有約 400ppm 的溫度系數(shù)，我對這樣的結(jié)果很滿意。但是，最佳的電路結(jié)構(gòu)迫使檢測電極在與 MOSFET 的源電壓相同的電壓下工作，同時輸出部分電流。

圖 5 顯示了如何使用電流驅(qū)動電路來實現(xiàn) MOSFET 檢測 FET 電路。